基于CPLD的汽车档位控制器的设计

【摘 要】本文在分析我国大型工程车辆变速箱档位控制器现状和CPLD在控制系统中的优越性的基础上，以EPM7064ST44为例，介绍了一种基于CPLD的档位控制器的软硬件设计方法，并指出了CPLD在实际应用中的一些注意事项。

【关键词】档位控制器；CPLD；工程车辆；Quartus II

【Abstract】Based on analyzing the current of Chinese large engineering vehicle gearbox and the advantage of CPLD in control system， taking EPM7064ST44 as an example， introduces a software and hardware design method of Shifting Controller based on CPLD， and points out CPLD some matters needing attention in application.

【Key words】Gear controller； CPLD； Engineering vehicles； Quartus II

0 引言

大型工程车辆换档操作频繁，驾驶员劳动强度很大，这就要求其变速器应具有换档操作力小、操作简便、接合迅速等特点，以降低司机的劳动强度，提高行驶安全系数，故操作简单、省力、换挡品质较高的电液控制变速器在国内大型工程车辆中得到广泛应用[1]。其电液控制系统主要有两种控制方式[2]：4个电磁阀控制系统和5个电磁阀控制系统。

虽然后者在控制柔和性和安全性等方面都较前者有了较大提高，但由于仍采用继电器构成其逻辑控制系统，故存在以下缺点[3-4]：

1）使用的继电器个数较多，接线复杂，且为手动接线、安装，因此进行功能改进时，工作量相当大；

2）长期磨损和疲劳工作，容易损坏触点；

3）触点容易产生电弧，产生误操作，引起严重的后果；

4）与其他控制系统相比继电器控制系统体积庞大、笨重；

5）工作中继电器控的线圈产生大量的热量及噪声，不仅消耗了大量电能也使局部电磁环境更加恶劣。

因此针对我国重型车辆广泛使用电液变速箱的实际情况，参考国内外多种方案，对其换挡控制系统进行改进，以有效降低驾驶员的劳动强度、提高换挡效率和可靠性。本产品同时具有成本低、结构简单、易于维护、无污染等诸多优点。

1 设计要求与方案论证

1.1 设计要求

本设计主要是针对大型工程车辆的换挡系统进行的开发设计，此车型有四个前进挡、四个后退倒挡和一个空档位，由多个继电器组成逻辑控制系统，执行对其电磁阀的控制任务。这种控制方式反应缓慢、失误率高、结构复杂。所以本设计要求去掉继电器，将电子芯片嵌入到控制系统中，使系统电路简单、反应灵敏、可靠性高，便于今后的功能升级。[5-6]

1.2 方案论证

目前可供选择的解决方案主要有两种：单片机方案（MCU）和CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件）方案。

单片机具有体积小、便携性能好、功耗低、功能强大等优点[7]，而且有许多成功的开发经验可以借鉴，但却存在一些难以克服的问题：

（1）由于MCU的通过内部的CPU逐条执行软件指令来完成各种运算和逻辑功能的，因此其工作效率和速度将大打折扣；[8]

（2）MCU的另一致命弱点是其必须经历一个复位过程才能正常工作，在复位时间内一旦不能满足复位电平的条件，系统就不能正常工作；

（3）在强干扰或某种偶然因素下，任何MCU的PC都极有可能越出正常的程序流程而跑飞[9]。

与MCU相比，CPLD的优势是多方面的和根本性的[10]：

（1）编程方式简便、先进；

在+5V工作电平下可随时对正在工作的系统上的CPLD进行全部或部分地在系统编程。此外还可以进行红外编程、超声编程或无线编程。

（2）高速

CPLD的时钟延迟可达纳秒级，结合其并行工作方式，逻辑控制更加精确，动作更加灵敏，实时性更高，因此有有非常广阔的应用前景。

（3）高可靠性

除了不存在MCU所特有的复位不可靠与PC可能跑飞等固有缺陷外，CPLD还几乎可将整个系统下载于同一芯片中，大大缩小了PCB体积，易于屏蔽和管理。

（4）开发周期短

由于CPLD具有开发工具通用性、设计语言标准化及设计过程几乎与所用的CPLD器件的硬件结构没有关系等特点，所以设计成功的各类逻辑功能块有很好的兼容性和可移植性，从而大大提高了设计效率。

2 产品设计

2.1 硬件设计

综合考虑以上诸多因素，我们认为在存储数据不大、逻辑运算较多的场合CPLD比MCU更有优势，所以本产品的控制部分采用CPLD。其主要控制过程为，当手柄处于不同的挡位位置时，挡位开关量和整车其他控制信号输入到控制单元CPLD中，CPLD综合各路信号进行分析、判断，并根据变速箱的控制要求，输出相应的+24电压至变速箱操纵阀上的电磁阀，电磁阀组合控制相关的油路，再由液压油推动相应的离合器，从而实现方向和档位的控制。

该产品硬件电路主要由电源电路、输入电路、输出电路、主控电路以及指示电路等组成。其中电源电路为各电路提供稳定、可靠的工作电压，主要由二极管、电阻、电容、电感、稳压块、开关电源模块等组成；输入电路采用的高压大电流达林顿晶体管阵列产品ULN2802，具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点，负责将8路24V高电压控制信号转换为低压数字控制信号；输出电路采用了驱动芯片BTS436L2，以驱动大功率负载；主控电路采用CPLD（Complex Programmable Logic Device）复杂可编程逻辑器件，具有编程灵活、集成度高、开发工具先进、设计制造成本低、保密性强、性价比高等特点。本产品采用的ALTERA公司MAX7000S系列的EPM7064ST44芯片，具有128个宏单元和+5V的在系统编程能力。

2.2 软件设计

本文设计选用的软件是ALTERA公司的Quartus II软件，利用其对CPLD器件进行设计开发的一般设计流程如图1所示。

Quartus II主要有原理图输入和文本输入两种方法。原理图输入就是从该软件提供元器件库文中调出所需的元器件，如：门电路、触发器、计数器、寄存器等，根据逻辑关系将它们连接起来得到所需的逻辑电路图。原理图输入具有显示直观、分析方便、易于理解等优点，其缺点是效率低；文本输入则是用VHDL或Verilog HDL硬件语言来完成逻辑的实现，它的优点是可以不考虑具体的工艺实现，便于大规模的设计。

本设计采用的是原理图输入法。设计前先根据厂家提供的继电器控制系统电路图，画出与其等效的数字逻辑电路图，将该电路输入Quartus II软件，功能仿真测试达到预期目标后，利用软件的编译器形成可用于编程下载的JAM文件，使用Altera公司的编程电缆将程序写入EPM7064ST44芯片。

3 CPLD使用注意事项

CPLD因其卓越的优点在许多控制系统中得到广泛应用，各生产厂家的产品在性能、价格、逻辑规模以及对应的开发软件等方面各有所长。因此，在器件选择上应综合考虑容量、速度、引脚数目等多个指标。为确保系统正常工作并为今后扩展和修改设计留下空间，对所选器件的逻辑单元和引脚数目应留有一定余量，一般用到其资源的75%；其次，需要注意的是所选芯片速度不是越高越好，因为速度过高对外界微小毛刺的灵敏反应会使系统处于不稳定的工作状态，故芯片速度应与设计系统的最高工作速度一致；第三，为保证所设计的系统可随时进行修改和硬件升级，应尽量选择ISP（In System Programmability）器件；最后在使用中要注意多余的输入引脚应接地或电源，时序电路应有上电复位电路。

4 结束语

采用CPLD设计的档位控制系统，使原来由继电器完成的硬件功能由软件程序来实现，实现了系统的简化和性能的优化。目前本控制器已在常林公司的相关车辆上进行了试验，试验结果表明完全达到了设计要求。该产品不仅工作性能稳定、具有极强的抗干扰能力，而且维修方便，大大降低了车辆使用成本。本控制器的推广和应用，将对我国大型工程车辆换挡控制系统的自动化与智能化有较高的参考和借鉴价值。

【参考文献】

[1]孙显龙.装载机液力变速器电液控制系统研究[D].长春：吉林大学， 2009：1-4.

[2]池智，王军伟，徐奉.装载机两种变速控制方式的比较[J].工程机械与维修， 2007，14（10）：174-176.

[3]王贵亮.客车自动换挡技术及轻便换挡控制系统的开发[D].大连：大连理工大学， 2004：8-12.

[4]刘欣，王贵亮，梅博文，等.CPLD在客车轻便换挡控制系统中的应用[J].自动化技术与应用，2004，23（5）：41-43.

[5]周锋，卞金洪，曹瑞.基于EPM3128的HDB3编译码器的实现[J].国外电子测量技术，2011，30（2）：71-74.

[6]杨洪波.用CPLD实现电动汽车驱动系统的逻辑控制[J].大功率变流技术， 2009，卷标（1）：52-56.

[7]夏志华.基于单片机的温度控制系统的研究与实现[J].煤炭技术，2013，32（2）：191-193.

[8]王菊叶，陈红军.基于单片机的煤矿带式输送机设计[J].煤炭技术，2012，31（6）：206-208.

[9]钟汉如，吴楚珊，苏缨墩.基于CPLD汽车变速箱手动换档电软轴优化设计[J]. 机械设计与制造，2011，48（6）：174-176.

[10]赵亚范，刘佳琪，王坤.基于2NQ的脉冲宽度测量装置的设计[J].舰船电子工 程，2012，32（11）：111-113.